KR20180011476A - 대형 자기 점화 터보차지 2-행정 내연 기관의 연소실로 연료를 분사하기 위한 연료 밸브 - Google Patents

대형 자기 점화 터보차지 2-행정 내연 기관의 연소실로 연료를 분사하기 위한 연료 밸브 Download PDF

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Abstract

대형 저속 2-행정 터보차지 자기 점화 내연 기관의 연소실로 저인화점 액체 연료를 분사하기 위한 연료 밸브(50)가 개시된다. 연료 밸브(50)는, 길다란 연료 밸브 하우징(52), 폐쇄된 팁(59)을 구비하고, 노즐 홀(56)에 연결되는 챔버(55)를 형성하는 중공 내부를 구비하는 노즐(54), 가압 액체 연료 공급원(60)으로의 연결을 위한 연료 유입 포트(53), 작동액 포트(78), 제 1 보어(81) 내에 수용되는 펌프 피스톤(80), 펌프 피스톤(80)의 일측 상의 제 1 보어(81) 내에 펌프 챔버(82)가 구비되고, 밸브 하우징(52) 내의 제 2 보어(84) 내에 수용되는 작동 피스톤(83), 작동 피스톤(83)의 일측 상의 제 2 보어(84) 내에 작동 챔버(85)가 구비되고, 펌프 피스톤(80)은 작동 피스톤(83)에 연결되어 이와 함께 일체로 이동하고, 작동 챔버(85)는 작동액 포트(78)에 연결되고, 길이방향 보어(77) 내에 수용되는 축방향 이동식 축(67)을 구비하는 밸브 부재, 밸브 부재는 폐쇄 위치와 개방 위치를 갖고, 축방향 이동식 축(67)은 폐쇄 위치에서 밸브 시트(69) 상에 안착되고 개방 위치에서 밸브 시트(69)로부터 상승하는 폐쇄 부재(65)를 구비하고, 축방향 이동식 축(67)은 스프링(66)에 의해 폐쇄 위치를 향해 탄성적으로 편향되고, 펌프 챔버(82)와 밸브 시트(69) 사이에 배치되는 도관(57)을 포함하고, 밸브 시트는 노즐(54) 내의 챔버(55)와 마주하며, 및 폐쇄 부재(65)는 적어도 부분적으로 노즐(54) 내의 챔버(55) 내에 배치된다.

Description

대형 자기 점화 터보차지 2-행정 내연 기관의 연소실로 연료를 분사하기 위한 연료 밸브 {FUEL VALVE FOR INJECTING FUEL INTO A COMBUSTION CHAMBER OF A LARGE SELF-IGNITING TURBOCHARGED TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 대형 저속 단류식 터보차지 2-행정 내연 기관의 연소실로 액체 연료를 분사하기 위한 연료 밸브에 관한 것이다.
크로스헤드 타입의 대형 저속 터보차지 2-행정 자기 점화 엔진들은 통상적으로 대형 선박의 추진 시스템에서 이용되거나 또는 발전소에서 주 원동기로 이용된다. 일반적으로, 이들 엔진들은 중유로 작동된다.
최근에, 가스, 메탄올 석탄 슬러리, 석유 코크스 등과 같은 대체 가능한 유형의 연료를 취급할 수 있는 대형 터보차지 2-행정 자기 점화 엔진에 대한 수요가 있다. 수요가 증가되고 있는 한 그룹의 연료는 저인화점 연료이다.
메탄올, LPG, DME 또는 바이오 연료와 같은 많은 저인화점 연료는 비교적 깨끗한 연료이고, 이는 예를 들어 연료로서 중유를 사용하는 것과 비교하면 대형 저속 단류식 터보차지 2-행정 내연 기관용 연료로 사용될 때 배기 가스 내에 상당히 낮은 레벨의 유황 성분, NOx 및 CO2를 생성한다.
그러나, 대형 저속 단류식 터보차지 2-행정 내연 기관에서 저인화점 연료를 사용하는 것과 관련된 문제가 있다. 이러한 문제 중 하나는 낮은 인화점인데, 이는 예를 들어 윤활유 시스템과 같은 엔진의 다른 시스템 중 하나의 시스템으로 저인화점 연료가 누출되어 다른 유체와 혼합될 때 중요한 문제를 야기한다. 저인화점 연료는 본질적으로 점화가 용이하고 이의 증기는 쉽게 폭발성 혼합물을 형성할 수 있다. 따라서, 저인화점 연료가 엔진의 다른 시스템에 도달하는 경우, 안전상의 이유로 엔진 작동을 중지시켜야 하고 이러한 시스템 내의 모든 액체를 청소하거나 교체할 필요가 있고, 이는 엔진 운영자에게는 매우 비용이 많이 들고 번거로운 일이다.
공지된 연료 밸브의 구조는, 니들과 시트의 설계로 인해, 밸브 니들의 축 및 축이 안내되는 보어로부터 누출이 항상 있다. 따라서, "밀봉유(sealing oil)"인 가압 밀봉액의 공급은 축과 보어 사이의 간극에 적용되며, 둘 모두는 밀봉용일 뿐만 아니라 윤활용이기도 하다. 누출을 최소로 유지하기 위해, 간극은 매우 좁은 허용 오차를 갖고 가능하면 작게 유지되며, 이러한 작은 간극은 축과 보어 사이의 윤활을 필요로 한다.
연료가 밀봉유와 혼합되는 경우 시스템 오류가 발생된다. 밀봉유와 연료의 분리는 어려우며, 따라서 이 경우 심각한 문제가 발생한다.
윤활유 시스템 내의 연료의 검출은 엔진의 정지를 유발할 수 있으며, 근본 원인을 해결하는 것은 어렵다.
또 다른 안전 관련 문제는, 엔진이 저인화점 연료로 작동되지 않을 때, 예를 들어, 엔진이 이중 연료 엔진이고 두 가지 연료 중 다른 연료, 즉 고인화점 연료로 작동되는 경우, 저인화점 연료가 연료 밸브 및 연료 밸브로 이어지는 배관에 남겨지는 것을 허용하지 않는 선급 협회에 의한 요구사항이다. 따라서, 연료 밸브 및 연료 밸브로 이어지는 배관 또는 파이프를 퍼지하기 위한 규정이 만들어져야 한다.
이들 저인화점 연료의 또 다른 과제는 이들의 비교적 불량한 윤활 특성이며, 이는 윤활액을 도포하지 않고 가동부 사이의 매우 작은 간극의 사용을 막는다.
대형 저속 단류식 터보차지 2-행정 내연 기관은 일반적으로 대형 원양 화물선의 추진에 사용되며 따라서 신뢰성이 최고로 중요하다. 이러한 엔진의 저인화점 연료 작동은 여전히 비교적 최근에 개발된 것이며 저인화점 연료를 이용하는 작동의 신뢰성은 아직 종래의 연료 수준에 도달하지 않았다. 따라서, 대부분의 대형 저속 2-행정 자기 점화 내연 기관은, 저인화점 연료로 작동하기 위한 연료 시스템 및 연료유만으로도 전출력(full power) 주행으로 작동될 수 있도록 연료유를 이용하여 작동하기 위한 연료 시스템을 구비하는 이중 연료 엔진이다.
이러한 엔진의 연소실의 큰 직경으로 인해, 이들 엔진은 일반적으로 중앙 배기 밸브 주위에서 대략 120°의 각도로 분리된, 실린더당 세 개의 연료 분사 밸브를 구비한다. 따라서, 이중 연료 시스템인 경우, 실린더당 세 개의 저인화점 연료 밸브 및 실린더당 세 개의 연료유 밸브가 있으며, 따라서 실린더의 상부 커버는 혼잡한 장소이다.
국제공개특허 WO2013/086427(2013.06.13.)
이러한 배경에서, 본 출원의 목적은 상기한 문제를 극복하거나 적어도 줄이는 대형 터보차지 자기 점화 2-행정 내연 기관용 연료 밸브를 제공하는 것이다.
상기 목적은 제 1 양태에 따라 대형 저속 2-행정 터보차지 자기 점화 내연 기관의 연소실로 액체 연료를 분사하기 위한 연료 밸브를 제공함으로써 달성되고, 상기 연료 밸브는, 후단부와 전단부를 구비하는 길다란 연료 밸브 하우징, 폐쇄된 팁을 구비하고, 노즐 홀에 연결되는 챔버를 형성하는 중공 내부를 구비하는 노즐, 상기 노즐은 연료 밸브 하우징의 전단부에 배치되고, 가압 액체 연료 공급원으로의 연결을 위한, 길다란 연료 밸브 하우징 내의 연료 유입 포트, 길다란 연료 밸브 하우징 내의 작동액 포트, 길다란 연료 밸브 하우징 내의 제 1 보어 내에 수용되는 펌프 피스톤, 펌프 피스톤의 일측 상의 제 1 보어 내에 펌프 챔버가 구비되고, 밸브 하우징 내의 제 2 보어 내에 수용되는 작동 피스톤, 작동 피스톤의 일측 상의 제 2 보어 내에 작동 챔버가 구비되고, 상기 펌프 피스톤은 작동 피스톤에 연결되어 이와 함께 일체로 이동하고, 상기 작동 챔버는 작동액 포트에 연결되고, 길다란 밸브 하우징의 길이방향 보어 내에 수용되는 축방향 이동식 축을 구비하는 밸브 부재, 상기 밸브 부재는 폐쇄 위치와 개방 위치를 갖고, 상기 축방향 이동식 축은 폐쇄 위치에서 밸브 시트 상에 안착되는 폐쇄 부재를 구비하고, 상기 폐쇄 부재는 개방 위치에서 밸브 시트로부터 상승하며, 축방향 이동식 축은 스프링에 의해 폐쇄 위치를 향해 탄성적으로 편향되고, 펌프 챔버와 상기 밸브 시트 사이에 배치되는 도관을 포함하고, 상기 밸브 시트는 노즐 내의 챔버와 마주하며, 및 상기 폐쇄 부재는 적어도 부분적으로 노즐 내의 챔버 내에 배치된다.
외부로 향한 밸브 시트와 협력하는, 노즐 내부의 폐쇄 부재, 즉, 연료 밸브 하우징으로부터 멀리 이동함으로써 개방되고 밸브 하우징을 향해 이동함으로써 폐쇄되는 폐쇄 부재를 구비하는 연료 밸브를 제공함으로써, 밸브 부재의 축방향 이동식 축과 상기 축이 수용되는 길이방향 보어 사이의 간극을 통한 누출 없는 연료 밸브 구조가 실현될 수 있다. 축방향 이동식 축과 길이방향 보어 사이의 간극으로부터의 누출을 갖지 않음으로써, 밀봉액으로 저인화점 연료에 대해 간극을 밀봉할 필요가 없고, 따라서 밸브 부재의 보어와 축 사이의 간극으로 밀봉액을 제공하기 위한 시스템이 생략될 수 없으므로 전체 연료 분사 시스템을 단순화시킬 수 있게 된다. 마지막으로, 저인화점 연료에 대한 간극을 밀봉할 필요가 없으므로, 간극은 비교적 크게 형성될 수 있고 이러한 큰 간극은 윤활유를 필요로 하지 않는다. 따라서, 밸브 부재의 보어 및 축에 대한 윤활액 공급 시스템의 제공이 생략될 수 있다.
제 1 양태의 가능한 제 1 구현예에 있어서, 상기 폐쇄 부재는 폐쇄된 팁을 향해 이동함으로써 상승하도록 구성되고, 상기 폐쇄 부재는 폐쇄 부재가 밸브 시트를 향해 이동할 때 폐쇄된 팁으로부터 멀리 이동하도록 구성된다.
제 1 양태의 가능한 제 2 구현예에 있어서, 상기 길이방향 보어는 밸브 시트로 연장되고, 축방향 이동식 축과 길이방향 보어 사이의 간극은 펌프 챔버와 밸브 시트 사이에 도관의 일부를 제공한다.
제 1 양태의 가능한 제 3 구현예에 있어서, 축방향 이동식 축과 길이방향 보어 사이의 상기 간극은 축방향 이동식 축 내에 길이방향 홈을 포함한다.
제 1 양태의 가능한 제 4 구현예에 있어서, 펌프 챔버와 밸브 시트 사이의 상기 도관은 축방향 이동식 축 내에 하나 이상의 감소된 직경부를 포함한다.
제 1 양태의 가능한 제 5 구현예에 있어서, 펌프 챔버와 밸브 시트 사이의 상기 도관은 펌프 챔버로부터 길이방향 보어로 연장되는, 길다란 밸브 하우징 내의 하나 이상의 채널 또는 보어를 포함한다.
제 1 양태의 가능한 제 6 구현예에 있어서, 상기 밸브 부재는 펌프 챔버 내의 연료의 압력이 소정의 임계치를 초과할 때 상기 편향에 대해 개방되도록 구성된다.
제 1 양태의 가능한 제 7 구현예에 있어서, 상기 펌프 챔버는 적어도 하나의 채널 또는 보어에 연결되는 배출구 및, 바람직하게, 펌프 채널로부터 연료 유입 포트로의 흐름을 방지하는, 길다란 연료 밸브 하우징 내의 체크 밸브를 통해 연료 유입 포트에 연결되는 유입구를 갖는다.
제 1 양태의 가능한 제 8 구현예에 있어서, 상기 연료 밸브는 가압 밀봉액 공급원으로의 연결을 위한 밀봉유 유입 포트를 구비하고, 제 1 보어 내에서 펌프 피스톤을 밀봉하기 위해 밀봉액 유입 포트로부터 제 1 보어로 연장되는 도관을 포함한다.
제 1 양태의 가능한 제 9 구현예에 있어서, 상기 축방향 이동식 밸브 스템의 직경은, 축방향 이동식 밸브 스템이 길이방향 보어 내부에서 이동하는 것을 보장할 수 있는 마진만큼 길이방향 보어의 직경보다 작으며, 연료, 바람직하게는 불량한 윤활 특성을 갖는 저인화점 연료는 축방향 이동식 밸브 스템과 길이방향 보어 사이의 간극을 채운다.
제 1 양태의 가능한 제 10 구현예에 있어서, 상기 스프링은 길다란 연료 밸브 하우징 내의 스프링 챔버 내에 수용되는 나선형 와이어 스프링이고, 상기 스프링 챔버는 길이방향 보어로만 이어지고, 상기 스프링 챔버는 축방향 이동식 축과 길이방향 보어 사이의 간극을 통해 적어도 하나의 보어 또는 채널에 유체 연통되며, 상기 간극은 바람직하게 축방향 이동식 축 내에 길이방향 홈을 포함한다.
상기 목적은 또한 제 2 양태에 따라, 제 1 양태 및 이의 임의의 구현예 중 하나에 따른 연료 밸브를 구비하는 대형 저속 2-행정 터보차지 자기 점화 내연 기관을 제공함으로써 달성된다.
제 2 양태의 가능한 제 1 구현예에 있어서, 상기 연료 유입 포트로 이어지는 도관은 이중벽 도관을 포함하고, 저인화점 연료는 내부 루멘에서 수송되고, 외부 루멘은 통기되고 탄화수소의 검출을 위한 센서에 연결된다.
본 발명에 따른 연료 밸브 및 엔진의 또 다른 목적, 기능, 장점 및 특성은 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명에 따른 연료밸브는 저인화점 연료의 작동 신뢰성을 향상시킴으로써 저인화점 연료의 활용도를 높이는 효과가 있다.
본 개시의 다음의 상세한 부분에서, 본 발명은 도면에 도시된 예시적인 실시형태와 관련하여 더욱 상세하게 설명될 것이다, 도면에서:
도 1은 예시적인 실시형태에 따른 대형 2-행정 디젤 엔진의 정면도이고,
도 2는 도 1의 대형 2-행정 엔진의 측면도이고,
도 3은 도 1에 따른 대형 2-행정 엔진을 도시한 개략도이며,
도 4는 하나의 연료 밸브에 대한 도 1의 엔진의 저인화점 연료 시스템의 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 5는 실린더 상부의 도 1의 엔진의 저인화점 연료 시스템의 예시적인 실시형태를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 6은 예시적인 일 실시형태에 따라 도 1 에 도시된 엔진에서 사용하기 위한 가스 연료 분사 밸브의 단면도이고,
도 7은 안착된(폐쇄된) 위치에 있는 밸브 부재를 도시한, 도 6의 부분의 상세도이고, 및
도 8은 상승된(개방된) 위치에 있는 밸브 부재를 도시한, 도 6의 부분의 상세도이다.
다음의 상세한 설명에서, 자기 점화 내연 기관은 예시적인 실시형태에서 대형 2-행정 저속 터보차지 내연 (디젤) 엔진을 참고로 설명될 것이다. 도 1, 도 2 및 도 3은 크랭크샤프트(42)와 크로스헤드(43)를 갖는 대형 저속 터보차지 2-행정 디젤 엔진을 도시하고 있다. 도 3은 흡입 및 배기 시스템을 구비하는 대형 저속 터보차지 2-행정 디젤 엔진의 개략도를 도시하고 있다. 본 예시적인 실시형태에서, 엔진은 직렬의 네 개의 실린더(1)를 갖는다. 대형 저속 터보차지 2-행정 디젤 엔진은 일반적으로 엔진 프레임(13)에 수용되는 네 개에서 열네 개의 직렬의 실린더를 갖는다. 엔진은 예를 들어 원양선에서 주 엔진으로 또는 발전소에서 발전기를 작동시키기 위한 고정 엔진으로 사용될 수 있다. 엔진의 총 출력은 예를 들어 1,000 내지 110,000 kW 범위일 수 있다.
본 예시적인 실시형태에서, 엔진은 실린더(1)의 하부 영역에서 소기(scavenge) 포트(19)와 실린더(1)의 상부에서 중앙 배기 밸브(4)를 구비하는 2-행정 단류식의 디젤 (자기 점화) 엔진이다. 소기(scavenge air)는 소기 수용부(2)로부터 각 실린더(1)의 소기 포트(19)로 통과된다. 실린더(1) 내의 피스톤(41)은 소기를 압축하고, 실린더 커버(아래에서 더욱 상세하게 설명됨) 내의 연료 분사 밸브에서 연료가 분사된 후 연소되어 배기가스가 생성된다. 배기 밸브(4)가 개방될 때, 배기가스는 실린더(1)와 결합된 배기 덕트를 통해 배기가스 수용부(3)로 흐르고 제 1 배기 도관(18)을 통해 터보차저(5)의 터빈(6)으로 향하며, 이로부터 배기가스는 제 2 배기 도관을 통해 흘러 나가 절약장치(economizer, 28)를 통해 배출구(29)로 그리고 대기로 나간다. 샤프트를 통해, 터빈(6)은 공기 유입구(10)를 통해 신선한 공기를 공급받는 컴프레서(9)를 구동시킨다. 컴프레서(9)는 소기 수용부(2)로 이어지는 소기 도관(11)으로 압축 소기를 전달한다.
도관(11) 내의 소기는 소기를 냉각시키는 인터쿨러(12)를 통과한다. 예시적인 실시형태에서, 소기는 대략 200℃로 컴프레서를 떠나 인터쿨러에 의해 36 내지 80℃의 온도로 냉각된다.
냉각된 소기는 터보차저(5)의 컴프레서(9)가 소기 수용부(2)에 대해 충분한 압력을 전달하지 않을 때, 즉, 엔진의 낮은 또는 부분 부하 조건에서 소기 흐름을 압축시키는 전기 모터(17)에 의해 구동되는 보조 송풍기(16)를 통과한다. 높은 엔진 부하에서, 터보차저 컴프레서(9)는 충분한 압축 소기를 전달하고 이후 보조 송풍기(16)는 체크 밸브(15)를 통해 우회된다
도 4는 밸브(50)의 개략도이고, 이는 저인화점 액체 연료 공급원(60)에, 냉각액(오일) 공급원(59)에 그리고 작동액(오일) 공급원(97) 및 작동액 제어 밸브(96)에 연결되어 있다. 도관(62)은 가압 저인화점 액체 연료 공급원(60)으로부터 저인화점 액체 연료 밸브(50)의 하우징 내의 유입 포트로 이어진다. 도관(62)은, 예를 들어, 동심관(concentric tube)에 의해 또는 실린더 커버(48)와 같은 단단한 차단재 내부의 관에 의해 형성된 이중벽 도관이다. 저인화점 액체 연료는 내부 루멘/관에서 수송되고, 외부 루멘은 통기되고 휘발성 탄화수소 성분을 검출하기 위한 센서(63)(탐지기(sniffer))를 구비한다. 센서(63)는 센서(63)에 의해 휘발성 탄화수소 성분이 검출될 때 경보를 발생하는 전자 제어 장치에 연결된다. 저인화점 액체 연료 공급원(60)에서 연료 밸브(50)를 분리할 수 있고 저인화점 연료로부터 연료 밸브(50)를 퍼지할 수 있도록 윈도우 밸브(61)가 도관(62) 내에 구비된다. 윈도우 밸브(61)는 바람직하게 전자식으로 작동되고 전자 제어 장치에 의해 제어된다.
도 5는 예시적인 실시형태에 따른 다수의 실린더(1) 중 하나의 상부를 도시하고 있다. 실린더(1)의 상부 커버(48)는 연료 밸브(50)의 노즐로부터 실린더(1) 내의 피스톤(41) 상부의 연소실로 저인화점 액체 연료를 분사하기 위한 개수(일반적으로 2 또는 3 개)의 연료 밸브(50)를 구비한다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 엔진은 실린더당 세 개의 연료 밸브(50)를 갖지만, 연소실의 크기에 따라 하나 또는 두 개의 가스 연료 밸브(50)도 충분할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 배기 밸브(4)는 상부 커버의 중심에 배치되고, 저인화점 액체 연료 밸브(50)는 실린더 벽에 더 가깝다.
연료유를 이용한 엔진의 작동을 위해 두 개 또는 세 개의 연료유 밸브가 상부 커버(48)에 구비된다. 연료유 밸브는 공지된 방식으로 고압 연료유 공급원에 연결된다.
노즐에 가장 가깝고 연소실에 가장 가까운 연료 밸브(50)의 전방부는 냉각유와 같은 냉각액을 사용하여 냉각되며, 이를 위해 시스템 오일(윤활 오일)로 사용될 수 있다. 여기에, 연료 밸브(50)의 몸체는 냉각액 유입 포트와 냉각액 배출 포트 그리고 연료 밸브(50)의 몸체의 전방부를 통한 유입 포트와 배출 포트 사이의 유로(미도시)를 구비한다. 냉각액 유입 포트는 도관을 통해 시스템 오일과 같은 가압 냉각액 공급원(59)에 연결되고, 냉각액 배출 포트는 도관을 통해 냉각액 저장소에 연결된다.
연료 밸브(50)의 몸체는 또한 연료 밸브의 개폐를 제어하기 위한 작동액 포트를 구비한다. 제어 포트는 도관을 통해 가압 작동액 공급원(97)에 연결된다. 전자식으로 제어되는 제어 밸브(96), 바람직하게 비례 제어 밸브는 연료 밸브(50)의 개폐를 제어하기 위해 가압 작동액 공급원(97)과 작동액 포트 사이의 도관에 배치된다.
엔진은 엔진의 작동을 제어하는 전자 제어 장치를 구비한다. 신호 라인은 전자 제어 장치를 제어 밸브(96) 및 윈도우 밸브(61)로 연결한다.
전자 제어 장치는 연료 밸브(50)의 분사 시기를 정확하게 맞추도록 그리고 연료 밸브(50)로 저인화점 액체 연료의 투입량(분사 시기당 분사되는 부피)을 제어하도록 구성된다. 전자 제어 장치는 일 실시형태에서 분사 곡선의 형상을 제어(속도 조절(rate shaping))하도록 구성되며, 이는 연료 밸브가 이러한 곡선에 적응할 수 있기 때문이다.
전자 제어 장치는 연료 분사의 시작 이전에 공급 도관(62)이 가압 저인화점 액체 연료로 충전되는 것을 보장하도록 윈도우 밸브(61)를 개폐한다.
윈도우 밸브(61)는 연료 밸브(50)가 저인화점 연료로부터 퍼지될 필요가 있을 때 전자 제어 장치에 의해 폐쇄된다. 펌프 챔버(82)로부터 연료 공급 도관(62)으로의 흐름을 허용하기 위해 퍼지 구성이 제공된다. 일 실시형태에서, 체크 밸브(74)(흡입 밸브)는 펌프 챔버(82) 내의 유체가 도관(76)과 흡입 밸브(74)를 통해 연료 공급 도관(62)으로 퍼지될 수 있도록 퍼지하는 동안 체크 밸브를 개방된 상태로 유지시키기 위해 제어 가능한 무효화를 구비한다.
도 6, 도 7 및 도 8은 자기 점화 내연 기관의 연소실로 저인화점 연료를 분사하기 위한 연료 밸브(50)를 도시하고 있다. 연료 밸브(50)는 최후단부를 구비한 길다란 밸브 하우징(52) 및 이의 전단부에서 노즐(54)을 구비한다. 노즐(54)은 밸브 하우징(52)의 전단부에 부착되는 별도의 몸체이다. 밸브 하우징(52)의 최후단부는 작동액 포트(92) 및 가스 누출 검출 포트를 포함하는 다수의 포트를 구비한다. 최후단부는 연료 밸브(50)를 실린더 커버(48)에 고정하는 볼트(미도시)를 수용하기 위한 보어(미도시)를 구비하는 헤드를 형성하도록 확장된다. 본 실시형태에서, 연료 밸브는 중앙 배기 밸브(4) 주위에, 즉, 실린더 라이너의 벽에 비교적 가깝게 배치된다. 길다란 밸브 하우징(52) 및 연료 분사 밸브(50)의 다른 요소들뿐만 아니라 노즐은 실시형태에서, 예를 들어, 공구강(tool steel) 및 스테인리스 강과 같은 강철로 형성된다.
중공 노즐(54)은 노즐의 중공 내부에서 챔버(55)에 연결되는 노즐 홀(56)을 구비하고, 노즐 홀(56)은 노즐(54)에 걸쳐 방사상으로 분포된다. 노즐은 방사상으로 팁(59)에 가깝고, 노즐 홀(56)의 반경 분포는 본 실시형태에서 대략 50°의 비교적 좁은 범위에 걸쳐 있다. 노즐 홀(56)의 반경 방향은 축(Z)로 나타낸 바와 같이 노즐 홀(56)이 실린더 라이너의 벽에서 멀리 지향되도록 구성된다. 또한, 노즐 홀(56)은 소기 포트의 구성에 의해 유발되는 연소실에서의 소기의 소용돌이(이 소용돌이는 저니 플로우(journey flow) 방식의 대형 2-행정 터보차지 내연 기관의 잘 알려진 특징이다)의 방향과 대략 동일한 방향이 되도록 지향된다.
노즐(54)의 팁(59)은 본 실시형태에서 폐쇄된다(도 7 및 도 8). 노즐(54)은 밸브 하우징(52)의 전단부에 연결되고, 노즐(54) 내의 챔버(55)는 하우징(52) 내의 길이방향 보어로 이어진다. 밸브 시트(69)는 길이방향 보어(77)와 연료 챔버(58) 사이의 전환부(transition)에 배치된다.
밸브 부재는 길다란 밸브 하우징(52)의 길이방향 보어(77) 내에 상당한 간극을 두고 슬라이딩 가능하게 수용되는 축방향 이동식 축(67)을 구비함으로써, 축방향 이동식 축(67)과 길이방향 보어(77) 간의 윤활은 중요하지 않다. 밸브 부재는 폐쇄 위치와 개방 위치를 갖는다. 도 7은 폐쇄 위치를 도시하고 도 8은 개방 위치를 도시하고 있다.
축방향 이동식 축(67)은 이의 전단부에, 예를 들어, 헤드와 같이 폐쇄 위치에서 밸브 시트(69) 상에 안착되는 폐쇄 부재(65)를 구비한다. 폐쇄 부재(65)는 개방 위치에서 밸브 시트(69)로부터 상승하고, 축방향 이동식 축(67)은 미리 인장된(pre-tensioned) 스프링(66)에 의해 폐쇄 위치를 향해 탄성적으로 편향된다. 미리 인장된 나선형 스프링(66)은 축방향 이동식 축(67) 상에 작용하고, 시트(69) 상에 폐쇄 부재(65)가 안착된 이의 폐쇄 위치를 향해 밸브 부재를 편향시킨다.
나선형 스프링(66)은 길다란 연료 밸브 하우징(52) 내의 스프링 챔버(88) 내에 수용되는 나선형 와이어 스프링이다. 스프링 챔버(88)는 길이방향 보어(77)로만 이어지고, 스프링 챔버는 축방향 이동식 축(67)과 길이방향 보어(77) 사이의 간극을 통해 채널(57)에 유체 연통된다. 상기 간극은 바람직하게 축방향 이동식 축(67) 내에 길이방향 홈(89)을 포함한다.
나선형 스프링(66)의 일단은 스프링 챔버(88)의 단부와 결합하고 나선형 스프링(66)의 타단은 축방향 이동식 축(67)의 후단부에서 확장부 또는 플랜지와 결합한다.
길다란 밸브 하우징(52)은, 예를 들어, 저인화점 액체 연료 공급 도관(62)을 통해 가압 저인화점 액체 연료 공급원(60)으로의 연결을 위한 연료 유입 포트(53)를 구비한다. 연료 유입 포트(53)는 도관(76)을 통해 밸브 하우징(52) 내의 펌프 챔버(82)에 연결된다. 체크 밸브(74)(흡입 밸브)는 도관(76) 내에, 즉, 밸브 하우징(52) 내에 또는 연료 유입포트(53)의 상류에, 즉, 밸브 하우징(52)의 외부에 구비된다. 체크 밸브(74)는 저인화점 액체 연료가 도관(76)을 통해 펌프 챔버(82)로 유입되지만 반대 방향으로는 유출되지 않는 것을 보장한다.
펌프 피스톤(80)은 길다란 연료 밸브 하우징(52) 내의 제 1 보어(81) 내에 슬라이딩 가능하게 그리고 밀봉 가능하게 수용되고, 펌프 피스톤(80)의 일측 상의 제 1 보어(81) 내에 펌프 챔버(82)가 구비된다. 작동 피스톤(83)은 밸브 하우징(52) 내의 제 2 보어(84) 내에 슬라이딩 가능하게 그리고 밀봉 가능하게 수용되고, 작동 피스톤(83)의 일측 상의 제 2 보어(84) 내에 작동 챔버(85)가 구비된다. 펌프 피스톤(80)은 작동 피스톤(83)에 연결되어 이와 함께 일체로 이동한다, 즉, 펌프 피스톤(80)과 작동 피스톤(83)은 이들의 각각의 보어(81, 84) 내에서 함께 슬라이딩할 수 있다. 본 실시형태에서, 펌프 피스톤(80)과 작동 피스톤(83)은 하나의 몸체로 구현될 수 있지만, 펌프 피스톤(80)과 작동 피스톤(83)은 별도의 상호 연결된 몸체일 수 있다는 것에 주목해야 한다. 작동 챔버(85)는 작동액 포트(92)에 유동적으로 연결된다. 전자 제어 밸브(96)는 작동액 포트(92)에 대해 그리고 이에 따라 작동 챔버(85)에 대해 가압 작동액의 흐름을 제어한다.
분사 시기의 초기에, 전자 제어 장치는 전자 제어 밸브(96)에 지시하여 작동 챔버(85)로 작동액이 유입하도록 한다. 작동 챔버(85) 내의 가압 작동액은 작동 피스톤(83) 상에 작용하고, 따라서 펌프 피스톤(80)을 펌프 챔버(82)로 밀치는 힘을 생성한다. 따라서, 펌프 챔버(82) 내의 저인화점 액체 연료의 압력이 증가한다. 실시형태에서, 작동 피스톤의 직경은 펌프 피스톤의 직경보다 크고, 따라서 펌프 챔버(82) 내의 압력은 작동 챔버(85) 내의 압력보다 높을 것이며, 작동 피스톤(83)과 펌프 피스톤(80)의 결합은 압력 부스터의 역할을 한다.
하나 이상의 채널(도관)(57)이 펌프 챔버(82)를 축방향 보어(77)에 유동적으로 연결하고 따라서 밸브 시트(69)에 연결한다. 밸브 시트(69)는 노즐(54) 내의 챔버(55)를 마주하고, 폐쇄 부재(65)는 적어도 부분적으로 챔버(55) 내에 배치된다. 폐쇄 부재(65)는 폐쇄된 팁(59)을 향해, 즉, 챔버(55) 내부로 이동함으로써 상승하고 밸브 하우징(52)에서 멀어지도록 구성된다. 이의 개방 위치에서, 밸브 부재는 시트(69)로부터 상승함으로써, 펌프 챔버(82)로부터 노즐(54) 내의 챔버(55)로의 흐름을 허용한다. 밸브 부재는 펌프 챔버 내의 저인화점 액체 연료의 압력이 나선형 스프링(66)의 힘을 초과할 때 상승한다. 따라서, 밸브 부재는 펌프 챔버(82) 내의 연료의 압력이 소정의 임계치를 초과할 때 스프링(66)의 편향에 대해 개방되도록 구성된다. 연료의 압력은 펌프 챔버(82) 내의 저인화점 액체 연료 상에 작용하는 펌프 피스톤(80)에 의해 형성된다.
폐쇄 부재(65)는 폐쇄 부재(65)가 밸브 시트(69)를 향해 이동할 때 폐쇄된 팁(59)으로부터 멀리, 즉, 밸브 하우징(52)을 향해 이동하도록 구성된다. 이는 펌프 피스톤(80)이 펌프 챔버(82) 내의 연료에 더 이상 작용하지 않고 밸브 부재 상의 나선형 스프링(66)의 폐쇄력이 밸브 부재 상의 저인화점 액체 연료의 개방력보다 커짐에 따라 저인화점 액체 연료의 압력이 줄어들 때 발생한다.
전자 제어 장치가 분사를 종료할 때, 제어 밸브(96)에 지시하여 작동 챔버(85)를 탱크에 연결하도록 한다. 펌프 챔버(82)는 가압 저인화점 연료 공급원(60)에 연결되고, 체크 밸브(74)를 통해 유입되는 저인화점 액체 연료의 공급 압력은 작동 피스톤(83)이 도 6에 도시된 위치에 도달할 때까지 이를 작동 챔버(85)로 밀치고, 연료 밸브(50)가 다음 분사를 할 준비가 되도록 펌프 챔버(82)는 저인화점 액체 연료로 가득 채워진다.
길이방향 보어(77)는 밸브 시트(69)로 연장되고, 축방향 이동식 축(67)과 길이방향 보어(77) 사이의 간극은 펌프 챔버(82)와 밸브 시트(69) 사이에 도관의 일부를 제공한다. 축방향 이동식 축(67) 내의 길이방향 홈(78)은 원리 보어(77) 및 축방향 이동식 축(67) 사이의 간극을 증가시키기 위해 사용될 수 있고, 따라서 채널(57)로부터 밸브 시트(69)로 지인화점 액체 연료를 수송하기 위한 큰 단면적을 제공한다. 축방향 이동식 축은 또한, 저인화점 액체 연료에 대한 유동 조건을 향상시키기 위해, 채널(57)의 단부와 만나는 위치에서 감소된 직경부(64)를 구비할 수 있다.
길이방향 보어(77)는 또한 스프링 챔버(88)로 연장되고, 스프링 챔버(88)에 유체 연통을 제공하기 위해 축방향 이동식 축(67) 내에 길이방향 홈(89)이 구비될 수 있다.
길이방향 보어(77)로부터 챔버(55)로의 저인화점 연료의 용이하고 적절한 흐름을 보장하기 위해, 폐쇄 부재(65)에 연결되는, 축방향 이동식 축(67)의 단부에 감소된 직경부(68)가 제공될 수 있다. 저인화점 연료는 노즐 홀(56)을 통해 챔버(54)를 떠난다.
가스 연료의 분사 시기는 작동 타이밍의 길이와 펌프 피스톤(80)의 행정의 길이(속도 조절)를 통해 전자 제어 장치(ECU)에 의해 제어된다. 한 번의 분사 시기에 분사되는 저인화점 액체 연료의 양은 펌프 피스톤(80)의 행정의 길이에 의해 결정된다. 따라서, 전자 제어 장치로부터의 신호가 있는 경우, 작동유 압력이 작동 챔버(85)에서 발생된다.
분사 시기의 말기에, ECU는 작동 챔버(85)에서 압력을 제거하고, 펌프 챔버(82) 내의 가압 저인화점 연료의 힘은 작동 피스톤(83)이 제 2 보어(84)의 단부에 부딪힐 때까지 제 2 보어(84) 내에서 뒤로 밀쳐지게 하고, 펌프 챔버(82)는 저인화점 액체 연료로 가득 채워지며, 연료 밸브(50)는 다음 분사를 할 준비가 된다.
바람직하게, 축방향 이동식 밸브 스템(67)의 직경은, 축방향 이동식 밸브 스템(67)이 길이방향 보어 내부에서 이동하는 것을 보장할 수 있는 마진만큼 길이방향 보어(77)의 직경보다 작으며, 저인화점 연료, 바람직하게는 불량한 윤활 특성을 갖는 저인화점 연료는 축방향 이동식 밸브 스템(67)과 길이방향 보어(77) 사이의 간극을 채운다.
일 실시형태에서, 피스톤 펌프(80)와 보어(81) 사이의 간극은 연로의 유입을 방지하기 위해 밀봉유를 구비할 수 있다. 본 실시형태는 연료가 저인화점 연료인 경우 특히 적절하다.
일 실시형태에서, 연료 밸브는 가압 밀봉액 공급원으로의 연결을 위한 밀봉유 유입 포트를 구비하고, 제 1 보어(81) 내에서 펌프 피스톤(80)을 밀봉하기 위해 밀봉액 유입 포트로부터 제 1 보어(81)로 연장되는 도관을 구비한다.
본원에서 연료 밸브는 낮은 인화점을 갖는 연료를 분사하기 위해 특히 적절한 것으로 개시되었지만, 본원에 개시된 연료 밸브는, 예를 들어 중유와 같이 낮은 인화점을 갖지 않는 그 밖의 액체 연료에도 마찬가지로 적합하다는 것을 이해해야 한다.
청구항에서 사용되는 "포함하는"이란 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 청구항에서 사용되는 "하나"라는 용어는 복수를 배제하지 않는다. 전자 제어 장치는 청구항에서 인용되는 여러 수단의 기능을 수행할 수 있다.
청구항에서 사용되는 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명의 예시의 목적으로 상세하게 설명되었지만, 이러한 세부 사항은 오직 그러한 목적을 위한 것이며, 본원에서 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 기술분야의 숙련자에 의해 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
1: 실린더 2: 소기 수용부
3: 배기가스 수용부 4: 배기밸브
5: 터보차저 6: 터빈
9: 컴프레서 11: 소기도관
12: 인터쿨러 15: 체크밸브
16: 보조 송풍기 17: 전기모터

Claims (15)

  1. 대형 저속 2-행정 터보차지 자기 점화 내연 기관의 연소실로 액체 연료를 분사하기 위한 연료 밸브(50)에 있어서, 상기 연료 밸브(50)는,
    후단부와 전단부를 구비하는 길다란 연료 밸브 하우징(52),
    폐쇄된 팁(59)을 구비하고, 노즐 홀(56)에 연결되는 챔버(55)를 형성하는 중공 내부를 구비하는 노즐(54), 상기 노즐(54)은 상기 길다란 연료 밸브 하우징(52)의 전단부에 배치되고,
    상기 노즐(54)은 다수의 노즐 홀(56)들을 구비하고,
    가압 저인화점 액체 연료 공급원(60)으로의 연결을 위한, 상기 길다란 연료 밸브 하우징(52) 내의 연료 유입 포트(53),
    상기 길다란 연료 밸브 하우징(52) 내의 작동액 포트(92),
    상기 길다란 연료 밸브 하우징(52) 내의 제 1 보어(81) 내에 수용되는 펌프 피스톤(80), 상기 펌프 피스톤(80)의 일측 상의 상기 제 1 보어(81) 내에 펌프 챔버(82)가 구비되고,
    상기 길다란 연료 밸브 하우징(52) 내의 제 2 보어(84) 내에 수용되는 작동 피스톤(83), 상기 작동 피스톤(83)의 일측 상의 상기 제 2 보어(84) 내에 작동 챔버(85)가 구비되고,
    상기 펌프 피스톤(80)은 상기 작동 피스톤(83)에 연결되어 이와 함께 일체로 이동하고,
    상기 작동 챔버(85)는 상기 작동액 포트(92)에 연결되고,
    상기 길다란 연료 밸브 하우징(52)의 길이방향 보어(77) 내에 수용되는 축방향 이동식 축(67)을 구비하는 밸브 부재, 상기 밸브 부재는 폐쇄 위치와 개방 위치를 갖고,
    상기 축방향 이동식 축(67)은 상기 폐쇄 위치에서 밸브 시트(69) 상에 안착되는 폐쇄 부재(65)를 구비하고, 상기 폐쇄 부재(65)는 상기 개방 위치에서 상기 밸브 시트(69)로부터 상승하며,
    상기 축방향 이동식 축(67)은 스프링(66)에 의해 상기 폐쇄된 팁(59)으로부터 상기 폐쇄 위치를 향해 멀어지는 방향으로 탄성적으로 편향되고,
    상기 펌프 챔버(82)와 상기 밸브 시트(69) 사이에 배치되는 도관(57)을 포함하고,
    상기 밸브 시트는 상기 노즐(54) 내의 상기 챔버(55)와 마주하며,
    상기 폐쇄 부재(65)는 적어도 부분적으로 상기 노즐(54) 내의 상기 챔버(55) 내에 배치되고,
    상기 폐쇄 부재(65)는 상기 폐쇄된 팁(59)을 향해 이동함으로써 상승하도록 구성되고, 상기 폐쇄 부재(65)는 상기 폐쇄 부재(65)가 상기 밸브 시트(69)를 향해 이동할 때 상기 폐쇄된 팁(59)으로부터 멀리 이동하도록 구성되며, 및
    상기 밸브 부재는 상기 펌프 챔버(82) 내의 상기 액체 연료의 압력이 상기 밸브 부재를 상기 밸브 시트(69)로 강제시키는 상기 스프링(66)의 힘을 초과할 때 상승하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 길이방향 보어(77)는 상기 밸브 시트(69)로 연장되고, 상기 축방향 이동식 축(67)과 상기 길이방향 보어(77) 사이의 간극은 상기 펌프 챔버(82)와 상기 밸브 시트(69) 사이에 상기 도관의 일부를 제공하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 축방향 이동식 축(67)과 상기 길이방향 보어(77) 사이의 상기 간극은 상기 축방향 이동식 축(67) 내에 길이방향 홈(78)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 챔버(82)와 상기 밸브 시트(69) 사이의 상기 도관은 상기 축방향 이동식 축(67) 내에 하나 이상의 감소된 직경부(64, 68)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 챔버(82)와 상기 밸브 시트(69) 사이의 상기 도관은 상기 펌프 챔버(82)로부터 상기 길이방향 보어(77)로 연장되는, 상기 길다란 연료 밸브 하우징(52) 내의 하나 이상의 채널 또는 보어(57)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 부재는 상기 펌프 챔버(82) 내의 연료의 압력이 소정의 임계치를 초과할 때 상기 편향에 대해 개방되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 펌프 챔버(82)는 상기 적어도 하나의 채널 또는 보어(57)에 연결되는 배출구 및, 상기 연료 유입 포트(53)에 연결되는 유입구를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 펌프 챔버(82)는 상기 적어도 하나의 채널 또는 보어(57)에 연결되는 배출구 및,
    상기 펌프 챔버(82)로부터 상기 연료 유입 포트(53)로의 흐름을 방지하는, 상기 길다란 연료 밸브 하우징(52) 내의 체크 밸브(74)를 통해 상기 연료 유입 포트(53)에 연결되는 유입구를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 축방향 이동식 축(67)의 직경은, 상기 축방향 이동식 축(67)이 상기 길이방향 보어 내부에서 이동하는 것을 보장할 수 있는 마진만큼 상기 길이방향 보어(77)의 직경보다 작으며, 저인화점 연료는 상기 축방향 이동식 축(67)과 길이방향 보어(77) 사이의 간극을 채우는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 스프링(66)은 상기 길다란 연료 밸브 하우징(52) 내의 스프링 챔버(88) 내에 수용되는 나선형 와이어 스프링이고, 상기 스프링 챔버(88)는 상기 길이방향 보어(77)로만 이어지고, 상기 스프링 챔버는 상기 축방향 이동식 축(67)과 상기 길이방향 보어(77) 사이의 간극을 통해 상기 적어도 하나의 보어 또는 채널(57)에 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 간극은 상기 축방향 이동식 축(67) 내에 길이방향 홈(89)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  12. 제 1 항에 있어서,
    냉각액 유입 포트와 냉각액 배출 포트 그리고 연료 밸브(50)를 냉각시키기 위한 냉각액 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 밸브(50)를 퍼지하기 위해 상기 펌프 챔버(82)로부터 상기 연료 유입 포트(53)로의 흐름을 선택적으로 허용하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 밸브(50).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 연료 밸브(50)를 구비하는 대형 저속 2-행정 터보차지 자기 점화 내연 기관(1).
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연료 유입 포트(53)로 이어지는 도관(62)은 이중벽 도관을 포함하고, 저인화점 연료는 내부 루멘에서 수송되고, 외부 루멘은 통기되고 휘발성 탄화수소의 검출을 위한 센서(63)에 연결되는 것을 특징으로 하는 대형 저속 2-행정 터보차지 자기 점화 내연 기관(1).
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